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1、现场总线技术在火力发电厂电气控制系统中的应用 作者：孙茗 摘要： 随着火力发电厂建设规模的不断扩大，电厂自动化水平的不断提高，对电厂的生产运行和管理提出了更高的要求，为实现电厂全面的信息化管理，大型火力发电厂基本上都逐步建立了电厂管理信息系统，通过各子系统提供丰富的实时和非实时的现场信息，对各系统状况和设备运行情况作出分析与故障预警，以提高电厂管理效率和决策正确性，使电厂实现全厂管理控制一体化。理想的火力发电厂管理控制应分为三层网络结构:上层网络为厂级自动化管理信息的高速以太网，中间网络为生产过程自动化网络，底层网络是各子系统之间的现场总线网络。根据电厂生产、管理等各环节的特点，火力发电厂自动
2、化管理信息系统是划分成若干个子系统，子系统是按功能来划分的，与电厂管理体制相适应。子系统的划分遵循的原则:一是逻辑相对独立，每个子系统能独立完成某方面的管理功能;二是子系统内部各模块之间的联系程度大，而与其它子系统之间的联系程度小。 随着电气自动化和现场总线技术的迅速发展，专用的电气装置和就地测控设备均己智能化，普遍采用交流采样技术，同时还具备通信接口传送信息的能力，因此电气系统的智能化、网络化己经成为发展趋势。发电厂电气监控管理系统 (简称ECMS)是在智能化和网络化的电气设备的基础上，采用大量现场总线通信技术实现的电气自动化产品，它的出现势必会对火力发电厂现有的计算机网络监控系统产生很大的
3、影响，本文将对发电厂电气监控系统的设计范围、功能定位和与其它监控系统的关系等方面进行分析和探讨。一、现场总线控制系统的特点 开放性、分散化和低成木是现场总线最显著的三大特征1.1 系统的开放性 目前，火力发电厂中单元机组控制普遍采用的是分散控制系统(简称DCS)，其网络结构基本上是封闭式结构，其它厂家的智能设备很难接入。而现场总线系统是采用开放性分层分布式网络结构，将各控制器节点下放分散到现场，监控功能进一步分散到智能现场设备，构成一种彻底的、分布式控制体系结构，网络拓扑结构任意，可为总线形、星形、环形等，通信介质不受限制，可用双绞线、同轴电缆、光纤电缆等各种形式。采用现场总线控制系统可以减轻
4、主机的工作负担。1.2 系统的分散性 现场总线系统彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，系统很容易进行重组和扩建，通过使用现场总线对现场设备进行调试、校验等工作，系统易于维护，可以减少维修人员，降低劳动强度。1.3 系统的低成本 衡量一套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，还应该考虑控制系统从安装调试到运行维护整个生产周期内的总投入。相对DCS而言，现场总线系统开放的体系结构和OEM技术将大大缩短开发周期，降低开发成本，且彻底分散的分布式结构将1对1模拟信号传输方式变为l对N的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的A/D、D/A转换装置、布线安装成本和维护费用。因此从总体上
5、来看，现场总线系统的成本大大低于DCS的成本。二、火力发电厂电气控制系统现状 火力发电厂单元机组被控对象众多，按发电厂负荷性质可划分为工艺负荷和电气负荷。工艺负荷主要是指各类电动机，包括中压电动机和低压电动机，以及就地传感器和热工仪表。电气负荷主要包括主变压器、高压厂用变压器、起动/备用变压器、厂用线路、低压厂用变压器、低压厂用电源等;以及独立的电气智能装置，包括发电机励磁装置、同期装置、中压厂用电源快切装置、低压电源备用自投装置、综合保护装置等。当前火力发电厂普遍是以DCS系统作为单元机组的主要控制系统，现场级设备主要采用传统的模拟量和开关量信号，即采用1对1模拟或二进制信号传输方式，即每个
6、测点经硬接线接至DCS系统I/0卡件，生产过程的监控到达I/0子系统。DCS系统可以满足运行人员基本的控制操作要求，可替代原来的发电机控制台和厂用系统控制盘，实现单元机组炉、机、电操作手段统一。但随着电力生产企业信息化管理的发展，很多发电公司投入大量的资金构建电厂实时监控系统(SIS)和电厂信息管理系统(MIS)，以实现对设备维护和设备管理的智能化和信息化。如果现场级的设备依然采用传统的方式接入控制系统I/0子系统，MIS和SIS系统无疑成为无源之水，其作用将会大打折扣。 在己投运的发电厂中，对单元机组电气设备的监控主要采用两种方式:一是硬接线和现场总线相结合方案，即所有断路器的控制指令及参与
7、连锁所需要的位置状态经硬接线送至DCS的DO、D1卡件;而回路的电流、电压量、保护动作及报警信号则以现场总线通信方式传送，经ECMS系统通信管理机汇总后送入相应的DCS-DPU通信接口。在实际应用中，该方案各方比较容易接受，电厂应用较多。虽然ECMS系统具备对就地电气设备进行控制功能，但在正常运行时，该功能被闭锁，就地电气设备仍需要通过硬接线实现DCS系统监控，且经现场总线通信传送的电气信息没有送到控制室，运行人员无法看到，使ECMS系统没有充分发挥出应有的作用;二是完全现场总线方案，该方案的设计思想是希望将ECMS系统与DCS系统完全融合，实现无缝连接。ECMS系统通信管理机是按电厂工艺过程
8、配置，参与工艺联锁控制的通信管理机与相应的DCS-DPU一对一进行通信，对于不参与工艺联锁的电气信息，通过电气站控层的通信网关接入DCS。该方案在云南宣威电厂六期(23OOMW机组)、云南巡检司电厂(2135MW机组)等少数电厂己投入运行。从厂家提供的测试数据来看:电气监控系统通讯接入DCS的实时性能大体达到火电厂监控实时性的技术要求指标，但为保证实时性和可靠性，DCS系统仍保留部分硬接线。从技术上分析:该方案利用DCS-DPU串口通信和以太网通信方式与电气就地智能装置实现双向通信，由于通信实时性要求，ECMS系统通信管理机需要与DCS-DPU对应配置，导致通信管理机数量庞大，就地通信系统结构
9、复杂，接口环节多，网络通信信息量大，各方配合调试工作量大。对于DCS系统来说，对外通信不是它的强项，大量的电气信息通过通信串口和网络传输引起通讯接口软、硬件配置问题以及网络结构问题等，对DCS系统和ECMS系统的可靠性均产生不利影响。由于机炉过程控制对象多，设备间相互关系紧密，操作频繁，逻辑运算复杂，采用全通信方式需要冒一定的技术风险。因此，后续工程能够采用此方案的不多。三、在发电厂电气系统的应用效果 在常规的DCS系统中，电气信息受到DCS系统规模的限制，引入的电气I/0数量不能过大，采用现场总线技术后，ECMS系统可以从现场得到更多的实时信息，信息容量远大于DCS系统，基本上将主要的就地电
10、气智能装置纳入监测/监控范围，使运行和管理人员掌握更多现场的电气信息。 采用现场总线通信后，除保留控制命令和开关位置状态外，其它电气遥测、遥信信号(如测量、保护、状态)等通过现场总线向DCS系统传送。模拟量(电流、电压、功率等)利用就地智能装置交流采样，数字通信传送代替传统的DCS系统模拟量信号采集模式。就地信息可通过一根专用的通信电缆传送，节省了大量硬接线控制电缆。同时，ECMS系统为运行管理人员提供了可在控制室方便查询到就地电气设备的运行状态，诊断和维护信息的手段，系统具有的事故追忆和事故记录功能，辅助运行人员快速处理现场问题。四、在发电厂应用中存在的问题4.1 设计中存在的问题 由于早期
11、认识上的偏差，在系统设计时片面的追求就地智能装置上送的信息量越多越好，范围越大越好。由于现场总线的通信速率与节点数、传输量和距离远近都有关，节点数和传埔量越大，距离越远，通信速率越慢。因此系统范围无限制扩大，影响了系统运行的实时性和可靠性，降低了系统的性价比。通信信息量过大，还使一些不重要的负荷信息占用了不少通信资源，造成数据通道过于拥挤，出现通信不畅、数据刷新周期过慢等情况。 为了让运行人员能够看到更多的电气信息，ECMS系统与DCS系统通信信息量较大，受到通信方式和通信速率的限制，传送电气信息量较多时(特别是模拟量)，在DCS操作员站响应速度慢，影响实际使用效果。4.2 招标中存在的问题
12、由于现场总线技术越来越受到广泛关注和欢迎，声称能提供现场总线的厂家也越来越多，但由于还没有完善的准入机制，造成电气自动化产品鱼龙混杂，选择困难。ECMS系统涉及面广，设备数量众多，对ECMS系统供货商的设计、制造、通讯和配合协调能力要求很高，但在已实施项目中，ECMS系统被分成很多部分，分别由不同供货商供货，增加了系统通信接口和配合调试工作量，影响系统的可靠性和实时性。 因此，在ECMS系统招标中应尽量减少设备接口，选择一家有实力、有业绩的集成商负责系统申各设备之间的协调，使ECMS系统技术性能满足电厂自动化要求。4.3 安装方面存在的问题 现场总线的正确安装是保证ECMS系统安全、稳定运行的
13、重要前提，在实际工程中发现，很多ECMS系统的运行不正常是因安装不当引起的。 (1)低压抽屉开关柜安装问题 低压智能装置安装在低压开关柜抽屉内，由于低压柜抽屉是可以插拔的，部分工程在施工中没有考虑到预留一段通信网线，造成在抽屉插拔过程中经常发生通信信号不稳或信号中断现象，影响系统运行的稳定性。 (2)接地间题 在工程安装中，就地智能设备和现场总线的屏蔽电缆屏蔽层必须可靠接地，有些工程接地做得不好，造成现场总线通信损坏或发生电磁干扰误发/错发信号等问题。 (3)现场总线安装问题 对于就地智能装置双通讯口，每个通讯口的通讯信息表地址是不同的，每条到通讯管理机的通讯线路应是同一个通讯口，但有些工程在
14、通讯线缆现场施工时，通讯口1线路和通讯口2的接线没有严格区分，造成大量返工和修改。此外，现场总线信号是有极性的，如果接反，系统将不能正常工作。 (4)现场总线敷设问题 由于通信速率与现场总线长度成反比，即现场总线长度越短，通信速率越快。因此，在开关柜之间进行现场总线的敷设时，应尽可能缩短敷设距离，并远离高压动力电缆等干扰源，否则会影响系统通信稳定性。4.4 投资费用问题 对于采用ECMS系统与采用传统的DCS系统相比，总体投资费用是增加还是减少的问题，持不同观点的人一直争论不休，其实这种争论没有多大意义，因为现场总线技术代表了末来电厂自动化的发展方向，采用现场总线方式对控制系统的设计、制造、安
15、装、调试以及运行维护和管理的整体费用肯定比DCS系统低，双向数字通信给火电厂在多方面带来的效益是传统的DCS系统所不及的。正是因为具有这个优势，才使得现场总线技术得到迅猛发展和广泛应用。然而这种效益往往是难以计算的、或在项目初期阶段不会引起足够重视的。 在火力发电厂中，由于采用现场总线通信的基本条件不同，因而使用现场总线对投资的影响差异较大。目前机炉就地智能现场设备(如变送器、阀门定位器等)的规格和品种较少，价格较高，因此，机炉现场级设备主要还是采用传统的模拟量和开关量信号。而就地电气设备已经普遍实现集成化、数字化和智能化，具备了进行双向数字通信的能力，因此，采用现场总线通信对就地电气智能装置
16、的投资影响有限，增加的费用主要是站控层设备、通讯管理机以及软件费用。 采用ECMS系统后，对DCS系统的电气I/0卡件减少数量以及节省的电缆长度与采用的系统方案和设备布置有关。有些工程虽然设计TECMS系统，但没有减少进入DCS系统的I/0硬接线，造成DCS系统和ECMS系统重复投资，没有充分发挥现场总线的优势。另外，对于DCS系统和ECMS系统通信接口配置数量问题也是影响DCS系统投资的焦点问题，部分工程因配置通信接口过多(传送信息量大)，超过DCS系统电气DPU处理能力，就需要增加DPU，费用较高。因此，ECMS系统对投资的影响是取决于多种因素。五、影响ECMS系统应用的因素 虽然理论上大
17、家都承认现场总线技术具有广阔的发展前景，但在实际应用中，还是遇到很多困难和阻力，影响现场总线技术在火力发电厂的实际应用。5.1 现有火电厂控制系统模式 现有火电厂控制系统设计模式是:每台单元机组采用一套DCS系统，实现炉、机、电统一控制，无论是工艺负荷还是电气负荷，即单元机组有关的所有操作均由DCS完成，这种模式已经积累了十多年的设计、运行经验，其设计思想、组态配置、功能匹配等已定型化，DCS系统采用1对1模拟或二进制信号采集，使ECMS系统的现场总线监控功能受到很大限制。5.2 现场总线标准 因现场总线潜在着巨大的商机，为各自利益，世界各大公司都希望自己开发的现场总线成为统一标准，其结果就是
18、众多现场总线标准并存的局面(仅IEC认定的现场标准就有8个)，由于各种现场总线是针对不同的应用领域开发的，现场总线自身存在着应用领域的局限性。目前国内各电气制造商根据自身特点和对现场总线的理解，开发出不同的现场总线产品，总线标准难以统一。因不同的现场总线标准协议之间是不能够直接进行互连和通讯的，给工程设备招标和实际应用带来很多困难。国外电厂有采用完全现场总线方式，即通过低压智能开关通信模块直接与DCSDPU相连接，但前提是各智能终端必须与DCS采用同一厂家产品，因而大大限制了设备选型范围和应用范围。5.3 采用新技术的风险 对电厂投资方和建设单位来说，尽早投产是第一位的，是硬指标。因此，在当前
19、不断压缩设计周期的情况下，设计人员采用现场总线技术是要冒一定风险的，除要投入大量精力作方案设计外，还要面对来自各方面的置疑和不配合。由于ECMS节点多、分散性强，并且多台机组需要分期建设，对系统的容量、网络构架的可扩展性和设备厂家的售后服务能力都有很高的要求，而不同厂家的解决方案良秀不齐，这就需要设计人员进行深入细致的系统方案设计，合理规划网络结构，优化信息传输方式，减少ECMS系统与DCS之间的信息传输数量，才能保证现场总线技术在火电厂的应用效果。六、在发电厂电气系统的发展前景6.1 现场总线技术的优势 随看电力生产企业对信息化管理越来越重视，越来越多的电厂要求建立电厂管理信息系统，以便向电
20、厂管理人员提供大量实时和非实时的、准确的、完整的、可靠的信息，提高电厂管理的效率和决策的正确性，使电厂能够在优化控制和优化管理软件的支持下，实现全厂管理控制一体化。电厂管理信息系统应根据电厂生产、管理等各环节的特点，由不同独立子系统组合而成的。火力发电厂的整个生产过程是一个极其复杂的过程，对电厂管理信息系统来说，DCS系统是其中一个比较重要的子系统，但仅靠的DCS系统提供的信息量是远远不能满足要求的。DCS系统对生产过程的监控只能到达I/0子系统，理想的设备和系统的预测性维护和状态检修、设备管理功能等无法实现。 作为一种全计算机、全数字、双向通信的新型控制系统，现场总线控制系统提供了开放的、具
21、有可互操作性、可互换性的测量和控制产品，克服了传统DCS等封闭性控制系统所带来的问题，通过择优选择自动化产品，集成最佳的控制系统，降低工程造价和运行成本，提高企业的竞争力，这是今后发电厂控制系统的发展方向。 现场总线技术还处于不断发展和不断改进阶段，虽然存在不尽如人意的地方，但并不意味着现场总线技术不能在发电厂应用，随着现场总线技术的独特优势逐渐被大家认识，己获得越来越多的认可和肯定。在目前情况下，各方应认清应用现场总线技术的真正目的，对明确ECMS系统未来的发展方向，埋清发电厂各控制系统之间的相互关系，克服制约现场总线技术在电厂应用的障碍，使现场总线技术为电厂自动化和信息化发挥积极的作用。6
22、.2 在发电厂的应用策略 发电厂电气监控系统是在就地电气设备己普遍实现微机化、智能化的基础上发展起来的，由于电气设备的保护、测量、联锁等功能均由独立于通信网络的电气装置实现，采用网络通信方式实现电气负荷监控其风险远小于对工艺负荷的监控，且类似的监控系统己广泛应用于发电厂网络计算机监控系统(NCS)、变电站综合自动化系统等监控系统中，己有非常成熟的运行经验可以借鉴。 为更好的在发电厂电气监控系统中应用现场总线技术，首先在进行电厂自动化信息方案规划设计中应以降低电厂运行管理成本，以合理的投资建立有效的信息化平台和管理体系为目标，为投资方、建设单位提供良好、有效的电厂监控和信息管理系统。在此基础上，
23、设计人员应认真研究现有的自动化产品，结合电厂各工艺和生产过程的特点，采用最合适的现场总线标准和现场智能装置，不应强求在全厂统一。在目前情况下全厂统一现场总线标准既无可能、也无必要;其次，在工程设计中应根据电气和热控专业的控制特点规划电厂的控制系统，不必过分强调必须使用一种控制系统。对于目前不具备采用现场总线使用条件的机炉过程控制，可以采用DCS系统硬接线监控;而对于具备现场总线基础条件的厂用电源系统和独立的智能电气设备就应积极采用现场总线技术，不应因存在某些局部问题就放弃。只有循序渐进的应用现场总线技术，才能逐步积累设计和应用经验，对有疑问、有问题的地方应认真分析，找到解决办法。设计人员应拓宽
24、思路，提高创新意识，不应抱着固有的设计模式和设计方式不变。在产品方面，电气自动化制造商应提高系统性能指标和运行稳定性，进一步丰富运行监控功能、智能管理手段和专家系统，如厂用系统电能量管理功能、厂用系统五防闭锁功能、电厂继电保护故障分析整定管理功能等，更充分发挥ECMS系统信息全面的优势，使电厂电气自动化水平和管理水平有质的飞跃。6.3 在发电厂的应用思路 通过ECMS系统在部分电厂的实际应用，总结获得的经验和教训，对ECMS系统设计思路有必要作出调整，使现场总线技术能发挥更好、更大的作用。 根据2007年11月底在北京召开的现场总线技术在火力发电厂电气控制系统中应用研讨会的精神，在实际工程中可
25、根据电厂运行管理模式、自动化管理水平的要求设计ECMS系统方案。鉴于目前现场总线技术发展的现状，难以实现DCS系统与ECMS之间的紧密无缝联接，因此建议ECMS系统不与DCS通信，减少两个系统之间的相互干扰。这样既保证DCS和ECMS系统运行可靠性，又大大减少了两个系统之间的通信信息，改善系统响应时间。 方案一:从安全角度考虑，因电动机负荷与机炉过程控制密切相关，其控制逻辑在DCS系统实现，为保证实时性，电动机控制仍按传统硬接线方式输入DCS I/0卡件;而电源负荷因其保护和控制逻辑基本在就地以硬接线和智能装置实现，与通信网络无关，因此可采用全通信控制方式。与传统方案通信+关键硬接线模式的EC
26、MS相比，该方案取消ECMS与DCS系统通信后，可以大大减少DCS系统通信接口板卡数量和通信配合调试工作量，减轻DCS系统通信负担，系统维护简便，专业接口清晰，接线简化，避免重复投资和功能重叠。 方案二:工艺负荷和电气负荷均采用传统硬接线方式输入DCS I/0卡件;ECMS系统实现对就地电气设备的监视和管理功能。七、结论 现场总线控制技术的出现，极大改变了电厂电气系统控制方式，提升了电厂信息化管理水平，ECMS系统作为一种全计算机、全数字、双向通信的新型控制系统，它与常规DCS的本质差异在于现场级设备的数字化、网络化，实现控制装置与现场装置的双向通信，消除电厂生产过程监控的信息盲点。 在目前阶
27、段，现场总线的应用应该采用循序渐进的方式，对于已经具备就地信息化、智能化的电气系统，应积极推动现场总线技术的使用和推广，最大发挥其带来的经济效益和管理效益;而对于尚不具备条件的部分，也不宜硬性推广使用。在工程设计中应合理规划电厂的自动化和信息化架构，降低工程造价、提高电厂自动化和信息管理水平，以实事求是的科学态度应对现场总线技术带来的机遇与挑战。Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, coverin
28、g severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstro
29、ng step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dr
30、eams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.Its like
31、the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red
32、Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but abo
33、ve all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicke
34、d up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could s
35、ee the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weathe
36、r plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our d
37、ay-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can exp
38、ect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth b
39、ecomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he
40、 is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he h
41、as a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 m
42、ph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25
43、,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.